взаимодействий космических лучей с ядрами атомов атмосферы, а именно: нейтроны, мюоны, протоны, гамма-кванты, электроны,- имеющие значительно меньшие энергии, чем энергии первичных космических лучей (табл. 3.2).

Таблица 3.2

Глобальные потоки космических лучей и коэффициенты ослабления в воде на уровне моря по [42, 84]

Поток космических лучей на поверхность Земли, или, более строго, интенсивность г-той вторичной компоненты космических лучей, связан с дифференциальным энергетическим спектром частиц за пределами атмосферы и определяется выражением

Ig.iig A) = Jrt(£, k)mi{E, h, p)dE,

(3.1)

где mi{E, h) -интегральная кратность частиц сорта i при прохождении космических лучей от границы атмосферы до точки регистрации на высоте h; р - барометрическое давление; g - геомагнитный порог; п{Е, k) определяется коэффициентом модуляции k, который характеризует уровень солнечной активности, т. е. It зависит от уровня солнечной активности, времени года и географии места.

С увеличением магнитной широты поток космических лучей увеличивается. Первичный спектр может меняться от изменения активности Солнца (рис. 3.12-3.13). Имеют место эффекты Фор-буша - резкое уменьшение интенсивности космических лучей во время магнитных бурь с последующим восстановлением. При увеличении солнечной активности снижение нейтронной активности вторичных космических лучей достигает 25-30 %, а мюонной - до 8-10% [96].

Известно (см. например, [101]), что основной вклад в общее число и энергию вторичных космических излучений, достигающих поверхности Земли, вносят галактические (ГКЛ), а не солнечные космические лучи. Модуляция потока галактических космических лучей реализуется следующим образом. При минимуме солнечной

активности уменьшается возмущенность межпланетного магнитного поля, или, другими словами, уменьшается количество неод-нородностей поля, которые служат центрами рассеяния для галактических частиц. Тем самым рассеивающие способности межпланетного магнитного поля ослабевают, и космические лучи начинают более свободно проникать внутрь Солнечной системы. При росте солнечной активности количество неоднородностей межпланетного магнитного поля заметно возрастает. Поскольку неоднородности движутся вместе с солнечным ветром от Солнца, то они

то .554 lose годы

Рис. 3.12. Пример временного хода интенсивности галактических космических лучей (Д /) % в течение 11-летнего цикла изменения солнечной активности [96].

- число солнечных пятен (число Вольфа).

-J-I-i-I 1 L

J I 1 j-1-1-L

0 8 IS 2i- iZ Ъ Ч

Рис. 3.13. Схематическое изображение эффектов солнечных вспышек, наблюдае.мых иа Земле (по [96]).

;) /,(()-видимое излучение вспышки; 2) h(t) - вариации галактических космических лучей (ГКЛ); 3) /з(*) - геомагнитное поле (геомагнитная буря). По вертикальной осп приведены условные амплитуды эффектов. По горизонтальной - время после начала солнечной вспышки.

частично рассеивают космические лучи за пределы земной орбиты и их интенсивность на Земле падает. Таким образом, эти явления находятся в противофазе, но меняются синхронно. Вариации космических лучей могут быть как циклическими (11-летними, 27-дневными, суточными), так и непериодическими, возникающими при резких изменениях активности Солнца и обусловленными выметанием первичных космических лучей из Солнечной системы неоднородными магнитными полями, движущимися от Солнца вместе с солнечным ветром [101]. Средняя амплитуда вариаций для 11-летнего цикла составляет 30 7о, Для 27-дневного 10 7о, для суточного 2%- Кратковременные понижения интенсивности космических лучей, связанные с солнечными вспышками и обычно сопровождающиеся геомагнитными бурями (эффект Форбуша), могут достигать на орбите Земли 50 7о. Конечная скорость распространения солнечного ветра 400-700 км/с приводит к временной задержке (на 1-2 дня), необходимой для прохождения солнечной плазмой расстояния Солнце-Земля.

Физико-химические изменения в природных водах при попадании в них вторичных космических лучей. Как следует из табл. 3.2, поверхности Земли достигают компоненты с наибольшей плотностью: нейтроны, затем мюоны, гамма-кванты и электроны. Ионизирующее действие мюонной компоненты рассредоточено в больших объемах вещества.

Наиболее эффективным фактором [84] при воздействии вторичного космического излучения на воду оказывается нейтронная компонента космического излучения, что обусловлено тем, что поток нейтронов достаточно интенсивен на поверхности Земли и характеризуется максимальным коэффициентом поглощения р, для воды, вследствие чего действие потока нейтронов концентрируется в поверхностных (до нескольких метров) водных слоях.

Ослабление потока нейтронов водой и снегом для широких энергетических интервалов можно представить в виде

Itip, A) = / .,exp(-p,-, р). (3.2)

При взаимодействии воды с падающими нейтронами и у-кван-тами идет радиолиз воды с выделением главным образом водорода в виде газовых пузырьков.

Попадание нейтронов высоких энергий (быстрых, с энергией (0,1--30) МэВ) в воду в реальных условиях приводит к ряду физико-химических явлений.

Для быстрых нейтронов доминирующим процессом является упругое рассеяние, которое характеризуется тем, что нейтроны, сталкиваясь с ядрами вещества, передают им часть своей энергии. Ядра атомов, получившие запас кинетической энергии, выскакивают из электронных оболочек. Ядра отдачи могут производить ионизацию, так как обладают электрическим зарядом. Чем меньше масса ядер вещества, через которое проходят нейтроны, тем большую долю энергии они теряют в процессе упругого рассеяния. При каждом акте рассеяния на ядрах водорода нейтрон теряет половину своей энергии, так как масса протона равна массе нейтрона и отношение энергии падающего нейтрона Ео к его тепловой энергии Et после п столкновений определяется как

EolEt = 2 . (3.3)

При упругом рассеянии на ядрах кислорода нейтрон теряет только 10 % своей энергии, поэтому основная доля энергии нейтронов передается ядрам водорода с образованием протонов отдачи, обладающих сильным ионизирующим действием. Для замедления нейтронов в кислородной среде потребовалось бы значительно большее число столкновений.

Постепенно при прохождении через воду быстрые нейтроны замедляются до энергии тепловых, которые взаимодействуют в неупругих процессах с ядрами водорода и кислорода. Вследствие этих физических процессов возникает радиолиз, приводящий к выделению атомов кислорода и водорода по реакции

2Н20-*2Н2Ч-02- (3.4)